Upload
others
View
19
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Tabara de vara –Apuseni 2014
Facultatea de Constructii-Cluj-Napoca
SRGF
Aplicarea Metodei Elementelor Finite in
Ingineria Geotehnica
Prof. C. G. Chiorean, Univ. Tehnica din Cluj-Napoca
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Sumar:
•PARTEA I-Notiuni fundamnetale in analiza neliniara a masivelor
• Formularea MEF in deplasari (Tipuri de elemente finite –starea plana de deformatii, Elemente finite de tip bara)
• Interactiunea sol-structura (elemente plane cuplate cu elemente de tip bara)
• Incarcari (de masa, excavatie, etc).
•Surse de neliniaritate (modelarea comportarii elasto-plastice)
• Actiuni: efectul apei de infiltratie, seism, etc
• Partea II- Aplicatii software pentru ingineria geotehnica:
•Analiza stabilitatii taluzurilor
•Interventii de stabilizare a taluzurilor
•Analiza si planificarea zidurilor de sustinere
•Incarcari limita la fundatii
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Metode de analiza
(rezistenta, stabilitate, deformabilitate)
Metode care considera echilibrul la limita, metode statice sau de
calcul la rupere
Metode numerice bazate cu precadere pe metoda elementelor finite
Limitari ale metodelor bazate pe echilibru limita:
determinarea tensiunilor si pe suprafete posibile de cedare
se admite ca in lungul suprafetei posibile de cedare pamintul este in
stadiul limita de echilibru
tensiunile initiale din masiv, istoricul evolutiei lor nu pot fi luate in
considerare
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Metode bazate pe echilibrul limita
Metode care considera echilibrul limita Metoda Suprafata de rupere Ipoteze de calcul
Fellenius Suprafata circulara Fotele laterale sunt egale pe
cele doua fete ale fasiei
Bishop Suprafata circulara Fotele laterale sunt inegale si
oblice
Janbu Suprafata de forma oarecare Masa alunecatoare este
discretizata in fisii verticale
pe fetele acestora actioneazaeforturile normale si
tangentiale
Morgenstern &Price Suprafata de forma oarecare Se considera fortele dintre
fasii
Calcularea capacitatii portante
•Hansen; Terzaghi; Meyerhof;
Vesic; EC-8; Terzaghi (roca);
Zienkievicz (roca)
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Tehnica MEF
Tehnica MEF permite:
determinarea starii de tensiune si deformatie initiala si evolutia acesteia in timpul
lucrarilor de interventie
zonarea portiunilor cu concentrari de tensiuni tangentiale ce pot favoriza producerea
unor alunecari
estimarea mai exacta a starii de echilibru a taluzurilor sau versantilor
Considearea mai exacta a interactiunii sol-structura si determinarea intr-o formulare
unitara a starii de tensiune si deformatie atit in masiv cit si in diversele elemente
structurale utilizate pe parcursul lucrarilor de interventie in masiv: ancoraje, piloti, ziduri
de sprijin, etc.
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Elemente cheie in analiza neliniara prin MEF
Sisteme de ecuatii neliniare: Liniarizare (metoda secantelor/tangentelor): matricea de
rigiditate secanta/tangenta
Formularea in deplasari: functie de deplasari (aproximarea cimpului de deplasari)
principii energetice /deplsarilor virtuale: matrice caracteristice
starea de deformatie si tensiune (pe baza cimpului de deplasari)
(1) Comportarea neliniară a structurilor, sub cele doua aspecte, cel fizic şi cel geometric:.
relaţiilor neliniare între deformaţiile specifice şi deplasări.
model pe baza căruia să se deducă relaţiile constitutive neliniare -
determinarea ecuaţiilor de echilibru static (energetic).
(2) Soluţionarea sistemului de ecuaţii neliniare implică aplicarea următoarelor proceduri:
(a) Adoptarea tipului de element finit şi asocierea gradelor de libertate în funcţie de
natura problemei studiate şi de gradul de aproximare dorit.
(b) Definirea funcţiilor de deplasări pe baza cărora se definesc deplasările în
interiorul elementului finit.
(c) Exprimarea ecuaţiilor de echilibru în funcţie de deplasările gradelor de libertate
asociate elementului finit utilizat.
(d) Aplicarea unor procedee incrementale sau incremental-iterative pentru
rezolvarea sistemelor de ecuaţii neliniare rezultate.
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Formularea matematica a MEF
Ecuatiile de echilibru
Relatiile constitutive
Ecuatiile de compatibilitate a
deformatiilor
Conditiile de margine/contur
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Ecuatiile de echilibru-element infinitesimal
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Relatiile intre deplasari si deformatii
(ipoteza deformatiilor mici/infinitesimale)
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Relatiile constitutive
(material elastic)
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Conditii de contur/margine
Conditii de compatibilitate
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Ecuatiile elementelor finite pentru probleme de
elasticitate
Teorema energiei potentiale minime
Dintre toate configuratiile posibile pentru deplasari care satisfac compatibilitatea
deformatiilor si conditiile la limita numai cele pentru care energia potentiala are o
valoare staionara (minima) corespunde pozitiei de echilibru
Potentialul total al unui sistem (energia interna U, W potentialul fortelor exterioare)
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Ecuatiile elementelor finite pentru probleme de
elasticitate
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Ecuatiile elementelor finite pentru probleme de
elasticitate
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Ecuatiile elementelor finite pentru probleme de
elasticitate
Teorema energiei potentiale minime
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Tipuri de elemente finite: matrice caracteristice
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Tipuri de elemente finite: matrice caracteristice
Element finit triunghiular cu trei noduri
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Tipuri de elemente finite: matrice caracteristice
Element finite izoparametrice
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Tipuri de elemente finite: matrice caracteristice
Element finit triunghiular cu sase noduri (T6)
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Tipuri de elemente finite: matrice caracteristice
Element finit patrulater cu patru noduri (Q4) Element finit patrulater cu sase noduri (Q6)
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Tipuri de elemente finite: matrice caracteristice
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Tipuri de elemente finite: matrice caracteristice
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Tipuri de elemente finite: matrice caracteristice
Forte nodale echivalente (consistente)
Forte de suprafata
Forte masice (de volum)
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Tipuri de elemente finite: matrice caracteristice
Considerarea efectului apei de infiltratie. Forte nodale echivalente
Potentialul fortelor
nodale hidrostatice
Distributia hidrostatica a
presiunilor in element
Efectul presiunii apei din
pori=>tensiuni hidrostatice
Tensiuni totale (incarcari exterioare si
presiunea apei din pori)
Relatia generala de
echilibru: forte nodale
(presiunea apei din pori)
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Tipuri de elemente finite: matrice caracteristice
Modelarea conditiilor initiale ale apei de infiltratie
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Tipuri de elemente finite: matrice caracteristice
Procesul de excavatie. Forte nodale echivalente
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Tipuri de elemente finite: matrice caracteristice
Evaluarea numerica a matricelor caracteristice: Integrarea numerica
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Tipuri de elemente finite: matrice caracteristice
Evaluarea numerica a matricelor caracteristice: Integrarea numerica
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Generarea retelei de discretizare
Elemente cheie ale retelei de discretizare (mesh)
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Generarea retelei de discretizare
Tipuri de elemente finite
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Generarea retelei de discretizare
Tehnica MAPARII (MESH STRUCTURAT)
Pentru elemente simple (Q4)
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Generarea retelei de discretizare
Tipuri de elemente finite
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Generarea retelei de discretizare
Tipuri de elemente finite
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Generarea retelei de discretizare
TRIANGULATIA DELAUNAY (MESH NESTRUCTURAT)
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Generarea retelei de discretizare
EDITAREA/RAFINAREA DISCRETIZARII
Rafinarea GLOBALA
(geometrica-h
refinement)
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Generarea retelei de discretizare
Tipuri de elemente finite
Rafinarea GLOBALA
(cresterea gradului elementului finit-p refinement)
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Generarea retelei de discretizare
Tipuri de elemente finite
Rafinarea LOCALA
(indesirea retelei in zonele cu concetrari de tensiuni: adaptiva)
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
ASABLAREA SISTEMULUI DE ECUATII/OPTIMIZARE
Structura sistemului de ecuatii
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
ASABLAREA SISTEMULUI DE ECUATII/OPTIMIZARE
Structura sistemului de ecuatii
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
ASABLAREA SISTEMULUI DE ECUATII/OPTIMIZARE
Structura sistemului de ecuatii
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
CALCULUL TENSIUNILOR
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Elemente finite de tip bara
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Cuplarea elementelor plane cu elemente de tip bara
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Cuplarea elementelor plane cu elemente de tip bara
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Cuplarea elementelor plane cu elemente de tip bara
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Cuplarea elementelor plane cu elemente de tip bara
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Cuplarea elementelor plane cu elemente de tip bara
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Cuplarea elementelor plane cu elemente de tip bara
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Modelarea matematica a comportarii elasto-plastice
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Modelarea matematica a comportarii elasto-plastice
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Modelarea matematica a comportarii elasto-plastice
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Modelarea matematica a comportarii elasto-plastice
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Modelarea matematica a comportarii elasto-plastice
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Modelarea matematica a comportarii elasto-plastice
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Aplicatii software in ingineria geotehnica
GFAS-Geotechnical and FEM analysis system
Analiza neliniara in element finit a urmatoarelor
probleme:
• Stabilitatea taluzurilor si versantilor
•Excavatii
•Intercatiunea teren structura
•Lucrari de stabilizare a taluzurilor
•Tasari ale rambleelor si fundatiilor
• Executia etapizata
•Tunele
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Analiza stabilitatii taluzurilor si lucrari de
interventie-SLOPE
• Determinarea coeficientului de siguranta prin metode care considera echilibrul
limita: Fellenius, Bishop, Janbu, Bell, Sarma, Spencer, Morgenstern si Price
•Metoda DEM (Elemente discrete).
• Suprafetele de cedare circulare sau de formã oarecare
•Criterii de cedare Mohr-Coulomb (pamint) si Hoeck-Brown (roca)
• Actiunea seismului, actiunea apei de infiltratie, teren multistratificat.
• Analiza dinamica pentru o accelerogramã a proiectului, importat sau generat de
cãtre programul în sine, care calculeazã viteza si miscarea maximã a masei
potential instabile.
•Lucrãrilor de interventie si stabilizare: ziduri de sprijin, ancoraje, piloti, terenuri
armate si terasamente în trepte.
• Calcul invers (Back analysis): Determina coeziunea si unghiul de frecare interioara corepsunzatoare unui factor de sigurantã egal cu 1.
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Aplicatii software in ingineria geotehnica
GFAS-Geotechnical and FEM analysis system
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Aplicatii software in ingineria geotehnica
GFAS-Geotechnical and FEM analysis system
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Aplicatii software in ingineria geotehnica
GFAS-Geotechnical and FEM analysis system
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Aplicatii software in ingineria geotehnica
GFAS-Geotechnical and FEM analysis system
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Lucrari de interventie si stabilizare-SLOPE
Reducrere fortelor caretind sa produca
ruperea/cedarea
Reducerea tensiunilortangentiale de-a lungul
suprafetei de alunecare
Transferul tensiunilor laelemente structurale fundate
sau ancorate intro formatiune
stabila
Excavatii dedescaracre la partea
superioara a pantei
Micsorarea inclinariitaluzului sau
versantului
Ziduri de sprijin
Sisteme si retele de
piloti
Ancoraje
Bulonare sau tintuire
"Soil nailing"
Sporirea fortelor de
rezistenta
Cresterea tensiunilornormale pe suprafata
de alunecare
Elemente structuralecu tiranti pretensionati
Contraforti si berme la
piciorul pantei
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Analiza stabilitatii taluzurilor si versantilor -
GFAS 2009
Analiza in element finit a urmatoarelor probleme:
• Stabilitatea taluzurilor si versantilor
•Excavatii
•Intercatiunea teren structura
•Lucrari de stabilizare a taluzurilor
•Tasari ale rambleelor si fundatiilor
• Executia etapizata
Aplicatii software pentru ingineria geotehnica (www.geostru.com)
Analiza stabilitatii taluzurilor si versantilor -
GFAS 2009
Caracteristici:
•Generator automat al retelei de
discretizare
• Impunerea diverselor conditii de contur
•Incarcari distribuite, concentrate,
gravitationale,
•Elemente finite de forma triunghiulara sau
patrulatera
•Elemente de tip “beam-column”
•Relatii constitutive neliniare Mohr-
Coulomb, Von Misses, Cam Clay
•Efectul apei de infiltratie prin
determinarea spectrului hidrodinamic
•Efectul actiunii seismului